CN1076863C - 半导体元件的制造设备及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种半导体元件的制造设备及制造方法，以高生产率地制作金属与半导体界面的电阻小、特性优异、可靠性高的大面积的半导体元件。打开闸阀2a将备有a-Si：H薄膜的样品送入样品准备室3，排气至10-2-10-3Pa的压力，从样品室3经中间室1将样品传送到离子照射室4，进行磷等的离子照射。离子照射后，打开闸阀2c，传送到压力10-3～10-7Pa的中间室1，然后打开闸阀2d，传送到淀积室5，将Ar气体导入淀积室5，通过溅射法，进行Al/Ti的金属膜的淀积，经中间室1将样品移出取出室6。
Description
本发明涉及用于半导体工业的半导体元件制造和表面处理等制造设备及制造方法，特别涉及用于有源矩阵式液晶显示器等的薄膜晶体管和太阳电池等大面积半导体元件的制造中的高可靠性地进行杂质注入及元件制造的制造方法及设备。
在常规的大面积半导体元件制造中，作为向半导体薄膜注入杂质作用的技术例如有：
(1)放电分解含诸如以氢稀释的磷烷(PH3)的控制价电子用的杂质的气体；
(2)将所生成的离子不作质量分离，作为大孔径的离子束，注入到半导体薄膜，形成掺杂层；
(3)然后取出置于大气中，在另一真空设备中形成金属膜；
(4)对金属膜刻图、经洗净、加热处理等完成半导体元件等方法。
在上述的常规方法中，作为掺杂方法大面积处理是容易的。
然而，为了在掺杂的同时注入氢离子，由于在掺杂层表面附近存在高浓度的氢，掺杂层表面附近变为极不稳定的活化态，如图4(a)所示容易与大气中的水分、氧气结合而形成氧化膜，存在半导体元件的特性、可靠性低的问题。
为了解决前述的已有问题，本发明之目的在于，同时注入氢离子及含成为半导体掺杂剂的元素的离子，不使所形成的掺杂层表面附近的极不稳定并活化的区域暴露于大气中，通过进行电极的形成、加热处理在掺杂层表面上不形成氧化层，因而提供特性优异，可靠性高的半导体元件。
为达到前述目的，本发明的半导体元件的制造设备之特征在于具有：
在减压气氛中对半导体薄膜或基片同时照射氢离子及含变为前述半导体掺杂剂的元素的离子的离子照射装置、与
从在前述半导体薄膜或基片上，连续进行离子照射不开放于大气形成薄膜的薄膜形成装置及进行加热处理的加热处理装置中选出的至少一种装置。
其次，本发明的半导体元件的制造方法具有
(1)在减压气氛中对半导体薄膜或基片同时照射氢离子及含将变成半导体掺杂剂的元素的离子的工艺步骤、与
(2)从连续进行前述离子照射工艺，不开放于大气在前述半导体薄膜或基片上，形成薄膜的工艺步骤，或加热处理的工艺步骤中选出的至少一种工艺步骤。
在前述的本发明的制造设备及制造方法中，最好通过隔阀或闸阀使离子照射工艺步骤与薄膜形成工艺步骤或与加热处理工艺步骤连接起来。这样可以使全部工艺步骤保持密封状态。
另外，在前述的本发明的制造设备和制造方法中，在半导体薄膜或基片上所形成的薄膜最好是金属。在金属薄膜形成之际，在金属/掺杂层界面上无氧化层存在，这样可实现特性优异、可靠性高的半导体元件。
再有在前述的本发明的制造设备及制造方法中，最好用灯进行加热处理。之所以用灯，是因为加热效率高。
还有在前述的本发明的制造设备及制造方法中，离子照射装置的减压气氛的压力最好在1～10-3Pa的范围。这就可有效地进行离子照射。
另外在前述的本发明的制造设备及制造方法中，掺杂剂元素最好是从磷(P)、硼(B)、砷(As)、硅(Si)、氮(N)中选出的一种元素。这样可发挥作为掺杂剂的优良作用。
再有在前述的本发明的制造设备及制造方法中，半导体薄膜最好是掺氢的非晶硅(a-Si：H)。作为半导体薄膜可以使用任何材料，之所以特意使用a-Si：H是因为能在掺杂层表面附近维持极不稳定的状态。
还有在前述的本发明的制造设备及制造方法中，最好在含氢的气氛中进行加热处理。
另外在前述的本发明的制造设备及制造方法中，最好在100-1000℃的范围内进行加热处理。
若按前述的本发明的半导体元件的制造设备的结构，由于具有在减压气氛中对半导体薄膜或基片同时照射氢离子及含将变成半导体掺杂剂元素的离子的离子照射装置及从在前述半导体薄膜或基片上进行连续离子照射不开放于大气地形成薄膜的薄膜形成装置与进行加热处理的加热处理装置中选出的至少一种装置，因同时注入氢及含将变成半导体掺杂剂的元素的离子所形成的掺杂层表面附近极不稳定且活化区域不暴露于大气，进行电极形成、加热处理、在掺杂层表面未形成氧化层，可以实现特性优异、可靠性高的半导体元件。
其次若按本发明的半导体元件的制造方法，由于设有
(1)在减压气氛中对半导体薄膜或基板同时照射氢离子及含将变成前述半导体掺杂剂元素的离子的工艺步骤。
(2)从连续进行前述离子照射工艺、不开放于大气在前述半导体薄膜或基片上形成薄膜的工艺或加热处理的工艺中选出的至少一种工艺步骤的工艺，因同时注入氢离子及含将变成半导体掺杂剂元素的离子，所形成的掺杂层表面附近的极不稳定且活化的区域不暴露于大气，进行电极形成、加热处理，在掺杂层表面未形成氧化层，可实现特性优异。可靠性高的半导体元件。
另外，根据本发明，可高可靠性地制造在析像器和有源矩阵式液晶显示板中的薄膜晶体管阵列和太阳电池等大面积半导体元件。
以下根据附图说明本发明的实施例。
附图简单说明
图1为本发明的实施例1的制造设备的概略结构图；
图2为本发明的实施例1(图1)的沿I-I锁线的结构剖面图；
图3为本发明的实施例1的半导体元件的制造方法的工艺步骤示意图；
图4(a)为用常规的制造设备所制成的半导体元件试样深度方向元素分布图、
(b)为用本发明的实施例1的制造设备所制成的半导体元件试样深度方向的元素分布图。
(实施例1)
图1表示了本实施例的半导体元件的制造设备的示意结构图；图2表示沿图1中I-I锁线的结构剖面图。
中间室1通过闸阀2b与样品准备室3相接，同时通过闸阀2C与离子照射室4、通过闸阀2d与淀积室5、通过闸阀2e与样品取出室6相接。离子照射室4设有离子源7、该离子源7由以下结构构成。对离子源7的导体容器8(图2)，设有挟住绝缘体9a的电极10。电极10通过匹配盒12与高频电源11相接。与导体容器8连接设置的电极13通过线圈14与直流电源15相接。
另外，高频电源11的接地部与电极13直流相接，高频电源11的接地端的电位与直流电源15的高压端的电位相等。而且，高频电源的供给部与直流电源的输出端用线圈16连接，电极10与电极13直流短接，使离子源内的直流电场分布均衡。
另外，作为外加的高频频率采用13.5MHz、27.12MHz等。在半导体为a-Si：H(掺氢非晶硅)的场合，产生等离子区的电能优选在100—500W的范围，加速直流电压为3～30KV，特别是在8—15KV范围更好。不足3KV，离子不能注入，由于剥蚀而不好、超过30KV的场合，由于离子注入得深也不好。
在进行离子照射的情况下，从气体导入管17导入氢及含掺杂元素的气体。作为掺杂元素可以使用例如磷(P)、硼(B)、砷(As)、硅(Si)、氮(N)等。进行离子照射的气氛条件，用真空泵18保持在1～10-2Pa的压力。在此压力下，借助于电极11与导体容器8之间所加的高频(13.56MHz)电能，在导体容器8内生成均匀的等离子体19。在此情况下，也可在导体容器8的外部设有永久磁铁与电磁铁，将磁场施加到导体容器8内，激励所生成的等离子区，加大离子电流。在本实施例中，设置了永久磁铁20。
将如上所述生成的等离子区17中的离子21从设于电极13的开口部的多孔板22推到离子源外部，到达接地电位的多孔板23被加速，照射到基片台24的样品25上。另外，在本实施例中，离子源设置于上部，也可将离子源横置，将样品垂直放置，进行离子照射。
另外，在淀积室5内，对着基片台29设置靶电极28，它通过匹配盒26与高频电源相连。在进行金属淀积的场合，将Ar等气体从导入管30导入淀积室3内，借助于真空泵31保持1～10-3Pa的压力。在最适条件下保持在10-1～10-2的压力。在此压力下，借助于施加在靶电极28的高频电能形成等离子区，由于使靶电极28溅射，将金属等薄膜淀积在基片台29上的样品25上。此时，靠永久磁铁等将磁场施加到靶电极28附近，形成磁控管放电，也可提高溅射的效率。
另外在本实施例中，虽将靶电极设置在上部，但也可将靶电极设置在下部，对拉开间隔设置于靶电极上部的样品进行膜的淀积，还可将靶电极横置，对垂直放置的样品进行膜的淀积。
在本实施例中，虽然表示通过溅射进行膜的淀积的情况，但也可根据膜的种类，采用电阻加热蒸镀，电子束加热蒸镀、等离子CVD等其它方法，还可设置多个淀积室，形成多层膜。还有，通过真空泵32，使担当传递样品的中间室1保持在10-3-10-7Pa的压力。在等离子CVD的情形下保持在10-3-1Pa的压力。
在本实施例中，虽是在离子照射后只进行膜的淀积，也可增设在离子照射前进行保护膜的腐蚀、抗蚀胶的去除、表面清洁化等工艺，在离子照射后进行淀积膜的腐蚀和其它膜的淀积工艺这样的设备结构、制造方法。
图3表示了本实施例的半导体元件制造方法的工艺步骤示意图。作为半导体元件的一例采用液晶显示器。
样品25，如图3(a)所示，在厚0.5—2mm的玻璃基—片33上形成栅电极34，栅绝缘膜35、半导体a-Si：H膜36、沟道保护膜37。栅电极34是由Cr、Al、Mo及其硅化物的混合结晶中选出的至少一种物质形成的。栅极34的优选厚度在50nm-200nm的范围。其次，栅绝缘膜35是由从SiO2、SiN、Si3N4、SiON、Al2O3中选出的至少一种物质形成的，优选的厚度在100nm-500nm的范围。其次，a-Si：H膜36是在非晶硅中添加了5—20atm％的氢，优选厚度在10nm-300nm的范围。其次，沟道保护膜37是由从SiO2、SiN、Si3N4、SiON、Al2O3中选出的至少一种物质形成，优选的厚度在100nm-1μm的范围。
打开闸阀2a(图1)，将样品送入样品准备室3、关闭闸阀2a使样品准备室3内排气至10-2-10-3Pa的压力。
此后，从样品准备室3经压力为10-3～10-7Pa的中间室1，将样品25送到离子照射室4，进行离子照射。此时，如图3(b)所示，作为离子源气体为以氢稀释的5vol％的PH3、加速电压：10KV、同时进行氢离子38及含P的离子39照射，形成n型掺杂层40。经离子照射后，停止离子源气体的导入，使照射室4内的压力处于10-2-10-4Pa的压力，打开闸阀2C，将样品25搬送到压力仍保持在10-3-10-7Pa的中间室1。在将样品25搬送到中间室1和关闭闸阀2C，打开闸阀2d，将样品25搬送到淀积室5。搬送到淀积室5后，关闭闸阀2d，导入Ar气体，用溅射法，如图3(C)所示，进行Al/Ti金属膜41的淀积。
此后，经中间室1，搬入样品取出室6，开放地搬出到大气中。经以上操作，使样品不暴露于大气中，连续地进行氢离子和含掺杂元素的离子照射与金属薄膜的形成工艺。这里，因使用了形成硅化物的金属膜与硅系材料的组合物，能在掺杂层40与金属41的界面上形成如图3(d)所示的低阻的硅化物40a。
图4是表示用本实施例的制造设备及已有的制造设备制成的半导体元件样品沿深度方向的元素分布图。
由图4可知，根据本实施例，在金属/掺杂层界面上不存在氧化层，可提供特性优异、可靠性高的半导体元件。(实施例2)
图5表示实施例2的制造设备的示意结构图。
它由通过闸阀43b-43e分别与中间室42相连的样品准备室44、离子照射室45、淀积室46、热处理室47及样品取出室48构成。打开闸阀43a，将样品49送入样品准备室44、关闭闸阀48，使样品准备室44内排气至10-2-10-3Pa的压力。
此后，将样品49从样品准备室44经闸阀43b、中间室42及闸阀43C送至离子照射室45，进行离子照射。此时，作为离子源气体是以氢稀释的5vol％的PH3、加速电压为10KV，同时进行氢离子及含P离子的照射，形成n型掺杂层。
在离子照射后，停止离子源气体的导入，使离子照射室45内的压力为10-2～10-4Pa，打开闸阀43C，将样品49送至压力仍保持在10-3-10-7Pa的中间室42。样品49被搬送至中间室42后，关闭闸阀43c，打开闸阀43d，将样品49送至淀积室46。向淀积室46搬送后，关闭闸阀43d，导入Ar气体，通过溅射法，进行Al/Ti金属膜的淀积。此后，经闸阀43d、中间室42及闸阀43e(将样品)搬至热处理室47内，在氢的气氛中进行加热处理。
在本实施例中，经氢与含掺杂元素的离子照射后，采取了先形成金属膜后进行加热处理的设备结构及方法，但在离子照射后，也可采取先进行加热处理，然后不暴露于大气中地连续地进行金属膜的形成的设备结构及方法。
另外，这里所进行的加热处理是为使掺杂元素的激活、恢复离子注入的损伤，如本实施例那样，在形成金属膜后再进行热处理的情况，也是为了提高金属/掺杂层的接触特性。热处理时的气氛以氢为好，但在He、Ar等惰性气体气氛中，高纯度的氮气气氛中、或真空均可。
至于加热温度，以低于构成薄膜材料或基片熔点的温度为好，但对于金属膜与硅系材料的组合物，最好是金属的硅化物的形成温度。例如，在采用a-Si：H膜的场合，以使作为构成A-Si：H的元素——氢不能脱离的100—350℃为好。最好在250℃左右。在用玻璃基片的场合，以500℃以下为好。另外当基片为石英，使a-Si：H膜再结晶的场合，以500—1000℃为好。再有采用灯对样品表面附近短时间进行加热处理的场合，该样品表面的加热温度不必限于基片熔点以下。
将经如上述那样在热处理室47做过热处理的样品49通过闸阀43f送至样品取出室48，以氮等清洗后打开闸阀43g，开放于大气中，取出样品。例如在本实施例中，对半导体薄膜采取多晶硅、金属薄膜采用Ti，在热处理室47进行500—900℃的热处理的情况，由于形成TiSi2的温度在600℃以上，在热处理时，在金属Ti与掺杂层Si的界面上可形成低阻硅化物TiSi2层。
根据上述方法，如图3所示，可不暴露于大气地进行金属薄膜41的形成、掺杂层40的形成，还有低阻硅化物层40a的形成。经以上工艺，可使样品不暴露于大气中连续地进行氢及含掺杂元素的离子的照射、金属薄膜的形成以及加热处理。根据本实施例，在金属/掺杂层界面上不存在氧化层，可提供特性优异，可靠性高的半导体元件。
本发明由于使同时注入的氢离子所形成的掺杂层表面附近的极不稳定的活化区域不暴露于大气，进行电极的形成、加热处理、在掺杂层表面不形成氧化层，使提供特性优异，可靠性高的半导体元件成为可能。
即，本发明使高可靠地制造析像器和有源矩阵式液晶显示板中的薄膜晶体管阵列和太阳电池等大面积半导体元件成为可能。
Claims (18)
1.一种半导体元件的制造设备，其特征在于该设备具有：
在减压气氛中对半导体薄膜或基片使质量不致分离地同时照射氢离子及含有成为前述半导体的掺杂剂的元素的离子的离子照射装置，及
从在前述半导体薄膜或基片上，连续进行离子照射，不暴露于大气地形成薄膜的薄膜形成装置及进行加热处理的加热处理装置中选出的至少一种装置。
2.一种半导体元件的制造方法，其特征在于，在互相连接的室内顺次进行以下工艺步骤：
(1)在减压气氛中对半导体薄膜或基片同时进行照射氢离子及含有成为前述半导体的掺杂剂元素的离子的工艺步骤，及
(2)从连续进行前述离子照射工艺，不开放大气地在前述半导体薄膜或基片上形成薄膜的工艺步骤，或进行加热处理的工艺步骤中选出的至少一种工艺步骤。
3.如权利要求1所述的半导体元件的制造设备，其特征在于，所述离子照射装置、薄膜形成装置或加热处理装置是通过阀门相连的。
4.如权利要求1所述的半导体元件的制造设备，其特征在于，在半导体薄膜或基片上形成的薄膜是金属。
5.如权利要求1所述的半导体元件的制造设备，其特征在于，加热处理是借助于灯进行的。
6.如权利要求1所述的半导体元件的制造设备，其特征在于，离子照射装置的减压气氛的压力在1-10-3Pa的范围。
7.如权利要求1所述的半导体元件的制造设备，其特征在于，掺杂剂元素是从磷、硼、砷、硅、氮中选出的至少一种元素。
8.如权利要求1所述的半导体元件的制造设备，其特征在于，所述半导体薄膜是掺氢的非晶硅。
9.如权利要求1所述的半导体元件的制造设备，其特征在于，所述半导体薄膜为多晶硅。
10.如权利要求2所述的半导体元件的制造方法，其特征在于，所述同时照射氢离子及含有成为半导体的掺杂剂元素的离子的工艺步骤是在离子照射装置中进行的。
11.如权利要求2所述的半导体元件的制造方法，其特征在于，在半导体薄膜或基片上形成的薄膜是金属。
12.如权利要求2所述的半导体元件的制造方法，其特征在于，加热处理是借助于灯进行的。
13.如权利要求2所述的半导体元件的制造方法，其特征在于，离子照射装置的减压气氛的压力在1-10-3Pa的范围。
14.如权利要求2所述的半导体元件的制造方法，其特征在于，掺杂剂元素是从磷、硼、砷、硅、氮中选出的至少一种元素。
15.如权利要求2所述的半导体元件的制造方法，其特征在于，所述半导体薄膜是掺氢的非晶硅。
16.如权利要求2所述的半导体元件的制造方法，其特征在于，所述半导体薄膜为多晶硅。
17.如权利要求2所述的半导体元件的制造方法，其特征在于，所述加热处理是在含氢的气氛中进行的。
18.如权利要求2所述的半导体元件的制造方法，其特征在于，所述加热处理是在100-1000℃的范围进行的。
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